太赫兹单站感知中的环境重建：联合毫米级几何映射与材料识别的创新框架

《IEEE Journal of Selected Topics in Electromagnetics, Antennas and Propagation》：Environment Reconstruction in Terahertz Monostatic Sensing: Joint Millimeter-Level Geometry Mapping and Material Identification

本文针对太赫兹集成感知与通信（ISAC）系统中环境重建精度不足、计算复杂度高以及材料识别能力缺失等问题，提出了一种基于连通分量分析（CCA）辅助的多径分量（MPC）估计与滑动窗口优化策略的高效计算框架。研究通过290-310 GHz频段的单站测量实验，实现了毫米级几何映射（平均误差4.9 mm）和基于太赫兹时域光谱（THz-TDS）数据库的材料识别，显著提升了太赫兹ISAC系统的环境感知能力，为6G通信与感知一体化提供了关键技术支撑。

　　

随着第六代（6G）及未来无线网络的快速发展，集成感知与通信（ISAC）系统成为研究热点，其目标是将通信功能与环境感知能力深度融合。太赫兹（THz）频段（0.1-10 THz）因其超大带宽优势，不仅能支持超高速数据传输，还能实现高分辨率环境感知，为ISAC系统提供了新的技术路径。然而，当前太赫兹环境重建面临两大挑战：一是几何映射精度有限，现有方法在复杂区域（如角落）的误差较大，难以实现毫米级重建；二是材料识别能力缺失，现有研究多聚焦于几何重建，缺乏对环境中材料属性的识别分析。

为突破这些局限，上海交通大学太赫兹无线通信（TWC）实验室与华为技术有限公司合作，在《IEEE Journal of Selected Topics in Electromagnetics, Antennas and Propagation》上发表了一项创新研究，提出了一种计算高效的太赫兹环境重建框架。该研究通过单站感知实验，结合连通分量分析（CCA）辅助的多径分量估计和滑动窗口优化策略，实现了联合毫米级几何映射与材料识别。

研究团队首先搭建了基于矢量网络分析仪（VNA）的太赫兹信道探测系统，工作频段为290-310 GHz，带宽20 GHz，对应1.5 cm的距离分辨率。实验在室内场景中设置了10个单站收发（TRx）位置，通过定向扫描方案（DSS）获取信道频率响应（CFR）。关键技术创新包括：1）利用CCA对功率-角度-延迟剖面（PADP）进行区域分割，提取高能多径区域，将空间交替广义期望最大化（SAGE）算法的搜索空间缩减至有效区域，计算效率提升8.4倍；2）基于连通分量结构推断室内特征（如平整墙壁、角落），并采用滑动窗口滤波技术优化几何映射连续性；3）通过反射损耗分析区分确定性（镜面反射）和随机性（漫反射）多径分量，并基于THz-TDS材料数据库（涵盖200余种材料）实现材料识别。

几何映射结果

通过CCA辅助的SAGE算法，研究从PADP中提取出29个主导多径区域。以TRx 1位置的一个连通分量为例，其延迟-角度域的双分支结构与内角几何模型高度吻合，通过模型拟合得到墙壁距离参数（d₁=1.60 m，d₂=1.23 m），均方根误差（RMSE）仅0.37 ns。滑动窗口滤波后，几何映射的平均距离误差（MDE）降至0.49 cm，较传统最大搜索算法（2.25 cm）和二维SAGE算法（1.57 cm）提升一个数量级。

材料识别结果

研究选取PADP中的两个典型区域进行材料分析：区域1的反射损耗最小值为11.40 dB，与材料数据库中水泥的反射损耗（11.99 dB）匹配；区域2的反射损耗为1.85 dB，对应金属材料（数据库范围1.74-2.87 dB）。识别结果与场景中墙体（水泥）和窗框（金属）的实际材料一致，验证了太赫兹ISAC系统的材料感知能力。

该研究通过计算高效的CCA-SAGE框架，实现了太赫兹单站感知中的高精度环境重建。毫米级几何映射与材料识别的结合，弥补了现有ISAC系统在环境感知完整性方面的不足。未来工作可引入多模态信息进一步优化材料识别可靠性，推动太赫兹ISAC在智能家居、工业自动化等场景的应用。